金属切削过程的基本规律及其应用

-第二章 金属切削过程的根本规律及其应用本章主要介绍以下容：1、金属切削过程根本规律2、金属切削过程根本规律的应用课时分配：1，三个学时，2，三个学时重点：金属切削过程的根本概念难点：金属切削过程根本规律的应用金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成局部。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和外表粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进展研究，提醒其在的机理，探索和掌握金属切削过程的根本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和外表质量，提高切削效率，降低生产本钱和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产本钱。因此，必须进展深入的研究。2.1 金属切削层的变形一、切屑形成过程及变形区的划分 (见P19)1、切削变形 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开场产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当到达材料的屈服点时，开场产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而到达材料的断裂强度，便会产生挤裂。 2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区剪切滑移、第二变形区纤维化、第三变形区纤维化与加工硬化。3、切屑的形成及变形特点(见P20)1 第一变形区近切削刃处切削层产生的塑性变形区金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。在以下图中，切削层上各点移动至AC线均开场滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第变形区，AB面亦称为剪切面。剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角称为作用角。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。2 第二变形区与前刀面接触的切屑层产生的变形区金属的挤压磨擦变形 经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克制刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。 应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。3 第三变形区近切削刃处已加工外表产生的变形区金属的挤压磨擦变形已加工外表受到切削刃钝圆局部和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。二、切削变形程度的度量方法1、相对滑移相对滑移是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中AB线沿剪切面滑移至AB时的距离为y，事实上y很小，故可认为滑移是在剪切面上进展，其滑移量为s。则相对滑移表示为：1、 变形系数h变形系数h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比拟，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数h表示切屑收缩的程度，即从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故h变小。它们之间的关系如下： 从上面两个公式可知，剪切角与前角0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角0和剪切角，使相对滑移、变形系数h减小，则切削变形减小。注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而值主要从剪切变形考虑；而h主要从塑性压缩方面分析。所以，与h都只能近似地表示切削变形程度。三、剪切角确实定剪切角是影响切削变形的一个重要因素。假设能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进展了大量研究，并推荐了假设干剪切角的计算式。其中，按最少能量原则来确定剪切角的计算式为：按最大剪应力的理论，求出剪切角计算式为：从上面公式可看出：与0、有关。增大前角0、减小摩擦角，使剪切角增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。 从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响(见P24) 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比拟稳定的状态时，能够代替刀刃进展切削。1、积屑瘤是如何形成的1切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分干净。2当两者的接触面到达一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的冷焊。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成摩擦。3如果温度与压力适当，底层上面的金属因摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。4这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力缺乏以造成粘附为止。2、形成积屑瘤的条件：主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。1一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；2温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。3走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。3、积屑瘤对切削过程的影响1实际前角增大 它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。2使加工外表粗糙度增大 积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一局部连附于切屑底部而排出，一局部残留在加工外表上，积屑瘤凸出刀刃局部使加工外表切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法防止或减小积屑瘤。3对刀具寿命的影响 积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比拟不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。4、防止积屑瘤的主要方法1降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；3采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；4增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。五、切削变形变化规律 从相对滑移、变形系数h计算式中可知，剪切角与前角0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角0和剪切角，使相对滑移、变形系数h减小，则切削变形减小。1、前角：增大前角0，使剪切角增大，变形系数h减小，因此，切削变形减小。生产实践说明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。2、切削速度：切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。3、进给量：进给量f增大，使变形系数h减小。4、工件材料：工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。2.2 切屑的类型及控制一、切屑的类型及其分类(见P20)由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如以下图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。1、 带状切屑它的外表光滑，外外表毛茸。加工塑性金属材料如碳素钢、合金钢、铜和铝合金，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工外表粗糙度较小。2、挤裂切屑 这类切屑与带状切屑不同之处在外外表呈锯齿形，外表有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。2、 单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。 假设改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以到达卷屑和断屑的目的。如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。 假设改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以到达卷屑和断屑的目的。4.崩碎切屑这是属于脆性材料如铸铁、黄铜等的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工外表是凸凹不平的。 从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。 由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工外表又粗糙，因此在生产中应力求防止。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。 以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。二、切屑控制的措施 在现行切削加工中，切削速度与金属切除率到达了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量不可承受的切屑。 所谓切屑控制又称切屑处理，工厂中一般简称为断屑，是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成可承受的良好屑形。 在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。2.3 切削力一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率(见P26(一切削力的来源 研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：1克制被加工材料对弹性变形的抗力；2克制被加工材料对塑性变形的抗力；3克制切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡外表与已加工外表之间的摩擦力。二切削合力及其分解 上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr国标为F。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的F*国标为Ff、Fy国标为Fp和Fz国标为Fc三个分力。在车削时： Fz主切削力或切向力。它切于过渡外表并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。F*进给抗力、轴向力或走刀力。它是处于基面并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。F*是设计进给走刀机构，计算车刀进给功率所必需的。Fy切深抗力、或背向力、径向力 、吃刀力。它是处于基面并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度详见第七章，计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。三切削功率 见P291、单位切削力 单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示： 单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。2、切削功率Pm消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和F*所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是 Pm=(Fz*Vc+F*nw*f/1000)10-3其中：Pm切削功率KW； Fz切削力N； Vc切削速度m/s； F*进给力N； nw工件转速r/s； f进给量mm/s。 式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小600的车刀切削。(3)刃倾角s：s对Fz影响较小，但对F*、Fy影响较大。 s 由正向负转变，则F*减小、Fy增大。实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角s。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角s增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。4、其它因素(见P341刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。2刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。3刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。2.4 切削热和切削温度切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。一、切削热的产生和传导(见P35 切削热是由切削功转变而来的。如以下图所示，其中包括：剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工外表与后刀面摩擦功形成的热Qf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工外表接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。切削热的形成及传导关系为：切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。 二、切削温度的计算与测量(见P36 尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，切削温度一般指切削区域的平均温度。通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温区值。切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即 切削温度的测量方法很多，见以下图。自然热电偶法 自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。人工热电偶法 人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。三、影响切削温度的主要因素(见P37 根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。 分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；*些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。1、切削用量的影响 切削用量是影响切削温度的主要因素。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成以下一般公式：切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。2、刀具几何参数的影响 切削温度随前角o的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于1820后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。见P37图2.28主偏角r减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。负倒棱b1在(02)f 围变化，刀尖圆弧半径re在01.5mm围变化，根本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。3、工件材料的影响 工件材料的强度包括硬度和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度包括硬度直接决定了单位切削力，所以工件材料强度包括硬度增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。4、刀具磨损的影响 在后刀面的磨损值到达一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。5、切削液的影响 切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。四、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工外表产生剩余应力以及其它缺陷。1切削温度对工件材料强度和切削力的影响切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大；剪切区域的应力影响不很明显。 2对刀具材料的影响 适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。3对工件尺寸精度的影响4利用切削温度自动控制切削速度或进给量5利用切削温度与切削力控制刀具磨损2.5 刀具的磨损与破损、刀具寿命及刀具状态监控一、刀具磨损的形态及其原因 切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，外表粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和本钱。刀具正常磨损的形式有以下几种：1.前刀面磨损 2.后刀面磨损 3.边界磨损(前、后刀面同时磨损) 从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象、扩散刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。(1)磨粒磨损 在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。(2)粘结磨损 刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。(3)扩散磨损 切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，假设再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。(4)相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具外表金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。(5)氧化磨损 氧化磨损是一种化学性质的磨损。刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。 1在低、中速围磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。 2在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。二、刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命1、刀具磨损过程 随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB或前刀面月牙洼磨损深度KT为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段2、刀具磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。3、刀具的耐用度刀具寿命 一把新刀或重新刃磨过的刀具从开场切削至磨损量到达磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。又称为刀具寿命。三、刀具的破损 刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力切削力或热应力，就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨损而言的。从*种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。刀具的破损有早期和后期加工到一定的时间后的破损两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：1.崩刀 2.碎断3.剥落 4.裂纹破损。四、刀具的状态监控 如前所述，刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统如FMS、CIMS等中，当刀具发生非正常的磨损或破损时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进展监控非常重要。刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测，即直接观察刀具状态，确认刀具是否破损。其中最典型的方法是ITVIndustrial Television， 工业电视摄像法。间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象，间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法等。五、刀具寿命(刀具耐用度)的选择原则 切削用量与刀具寿命有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低本钱刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序本钱最低的目标确定。比拟最高生产率耐用度Tp与最低生产本钱耐用度Tc可知：TcTp。生产中常根据最低本钱来确定耐用度，但有时需完成紧急任务或提高生产率且对本钱影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。选择刀具寿命时可考虑如下几点：1根据刀具复杂程度、制造和磨刀本钱来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。2对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取1530min。3对于装刀、换刀和调刀比拟复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。4车间*一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当*工序单位时间所分担到的全厂开支 M较大时，刀具寿命也应选得低些。5大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，防止切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和外表粗糙度来确定。六、影响刀具耐用度因素(见P431、切削用量 切削用量对刀具耐用度的影响规律如同对切削温度的影响。 切削速度vc、 背吃刀量切削深度ap、进给量增大，使切削温度提高，刀具耐用度下降。 Vc影响最大、 进给量f其次，ap影响最小。(见P43 刀具耐用度计算公式2.28根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度，用VT表示其计算式为： 显然低本钱允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。2、工件材料 1硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具耐用度下降。2工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具耐用度下降。3、刀具几何角度1前角对刀具耐用度的影响呈驼峰形。2主偏角r减小时，使切削宽度bD增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具耐用度提高。 4、刀具材料刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具耐用度越高。 加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。2.6 金属切削过程根本规律的应用学习了金属切削过程根本规律的应用以后，就要学会运用规律，用于指导生产实践。本节主要从控制切屑、改善材料的切削加工性、合理选择切削液、合理选择刀具几何参数和切削用量等五个方面问题，来到达保证加工质量、降低生产本钱和提高生产效率的目的。(见P44一、工件材料的切削加工性(见P44工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削成合格零件的难易程度。其研究的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径。1、评定工件材料的切削加工性的主要指标1刀具耐用度指标： 切削普通金属材料：用刀具耐用度到达60min时允许的切削速度V60的上下来评定材料的加工性。切削难加工金属材料：用刀具耐用度到达20min时允许的切削速度V20的上下来评定材料的加工性。同样条件下，V60或V20大，加工性越好。相对加工性：KV=V60/V060 ,(以45钢的V60为基准，记为V0602加工外表粗糙度指标：粗糙度值越小，加工性越好。 另外，还用切屑形状是否容易控制、切削温度上下和切削力大小或消耗功率多少来评定材料加工性的好坏。 其中，粗加工时用刀具耐用度指标、切削力指标，精加工时用加工外表粗糙度指标，自动生产线时常用切屑形状指标。此外，材料加工的难易程度主要决定于材料的物理、力学和机械性能，其中包括材料的硬度HB、抗拉强度b、延伸率、冲击值k和导热系数k，故通常还可按它们数值的大小来划分加工性等级，见表2.9。2、改善材料切削加工性的措施1调整化学成分 如在不影响工件材料性能的条件下，适当调整化学成分，以改善其加工性。如在钢中参加少量的硫、硒、铅、锁、磷等，虽略降低钢的强度，但也同时降低钢的塑性，对加工性有利。2材料加工前进展适宜的热处理 低碳钢通过正火处理后，细化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于减小刀具的粘结磨损，减小积屑瘤，改善工件外表粗糙度； 高碳钢球化退火后，硬度下降，可减小刀具磨损； 不锈钢以调质到HRC28为宜，硬度过低，塑性大，工件外表粗糙度差，硬度高则刀具易磨损； 白口铸铁可在9501000 C围长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。 3选加工性好的材料状态 低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好； 锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。 4其它 采用适宜的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。二、切削液P451、切削液的作用冷却作用：使切削热传导、对流和汽化，从而降低切削区温度。 润滑作用边界润滑原理：切削液渗透到刀具与切屑、工件外表之间形成润滑膜，它具有物理吸附和化学吸附作用。 洗涤和防锈作用：冲走细屑或磨粒；在切削液中添加防锈剂，起防锈作用。 2、常用切削液及其选用p47)1） 水溶液：水溶液就是以水为主要成分并参加防锈添加剂的切削液。主要起冷却作用。常用的有电解水溶液和外表活性水溶液。电解水溶液：在水中参加各种电解质如Na2CO3、亚硝酸钠，能渗透到外表油膜部起冷却作用。主要用于磨削、钻孔和粗车等。 外表活性水溶液:在水中参加皂类、硫化蓖麻油等外表活性物质，用以提高水溶液的润滑作用。常用于精车、精铣和铰孔等。 2切削油:主要起润滑作用。 10号、20号机油：用于普通车削、攻丝 轻柴油：用于自动机上。 煤油：用于精加工有色金属、普通孔或深孔精加工。 豆油、菜油、蓖麻油等：用于螺纹加工。 2） 乳化液：由水和油混合而成的液体。生产中的乳化液是由乳化剂蓖麻油、油酸或松脂加水配置而成。 浓度低的乳化液含水多，主要起冷却作用，适于粗加工和磨削；浓度高的乳化液含水少，主要起润滑作用，适于精加工。4极压切削油和极压乳化液：在切削液中添加了硫、氯、磷极压添加剂后，能在高温下显著提高冷却和润滑效果。 三、刀具几何参数的合理选择P47刀具几何参数主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形状、前刀面与后刀面型式等。1、 前角、前刀面的功用与选择P47 前刀面：有平面型、曲面型和带倒棱型三种。平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。带倒棱型前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。前角的功用：前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。 前角o对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。 但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。 前角的大小对外表粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。 工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些如有色金属加工时，选前角较大； 刀具材料韧性好如高速钢，前角可选得大些，反之应选得小些如硬质合金； 精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。2、后角、后刀面的功用与选择P49 后角的功用：后角o的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工外表质量都有很大影响。后角同时又影响刀具的强度。后角的选用原则：粗加工以确保刀具强度为主，可在4o-6o围选取； 精加工以加工外表质量为主，可在o=8o-12o一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角切削时起支承作用，增加系统刚性并起消振作用；尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。3、主偏角、副偏角的功用与选择P49 主偏角r：的大小影响切削条件切削宽度和切削厚度的比例和刀具寿命。 在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工外表粗糙度，所以r宜取小值； 在工件刚性较差时，为防止工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。副偏角r：影响加工外表粗糙度和刀具强度。其作用是可减小副切削刃和副后刀面与工件已加工外表之间的摩擦，防止切削振动。r的大小主要根据外表粗糙度的要求选取。通常在不产生摩擦和振动条件下，应选较小的r。 4、刃倾角的功用与选择P50 刃倾角s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。刃倾角s选用原则：主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。 粗加工时，为提高刀具强度，s取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工外表，s常取正值或0。2.7切削用量的合理选择及提高切削用量的途径切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产本钱等有着非常重要的影响。所谓合理的切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能功率、扭矩，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工本钱的切削用量。切削用量选择原则：能到达零件的质量要求主要指外表粗糙度和加工精度并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量。(见P51一、制订切削用量时考虑的因素(见P511、切削加工生产率在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素ap、f、v均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可使生产率提高一倍。然而由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它二参数必须减小。因此，在制订切削用量时，三要素获得最正确组合，此时的高生产率才是合理的。一般情况下尽量优先增大ap ，以求一次进刀全部切除加工余量。 2、机床功率 背吃刀量ap和切削速度Vc增大时，均使对切削功率成正比增加。进给量f对切削功率影响较小。所以，粗加工时，应尽量增大进给量。 3、刀具寿命刀具的耐用度T 切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为Vc、f、ap。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，首先应采用尽可能大的背吃刀量ap；然后再选用大的进给量f；最后求出切削速度Vc。 4、加工外表粗糙度 精加工时，增大进给量将增大加工外表粗糙度值(见第四章)。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。在较理想的情况下，提高切削速度Vc，能降低外表粗糙度值；背吃刀量ap对外表粗糙度的影响较小。 综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f。最后根据已确定的ap和f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选挥一个合理的切削速度Vc。二、切削用量制定的步骤(见P52 粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工本钱；半精加工和精加工的切削用量，应以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工本钱。1、背吃刀量ap的选择：根据加工余量多少而定。 除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小； 当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除。2.进给量f的选择：可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量f的值。3.切削速度Vc确实定：按刀具的耐用度T所允许的切削速度VT来计算。除了用计算方法外，生产中经常按实践经历和有关手册资料选取切削速度。4.校验机床功率: VcPE*/1000Fz m/s三、提高切削用量的途径 1.采用切削性能更好的新型刀具材料；2.在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性；3.改善冷却润滑条件；4.改良刀具构造，提高刀具制造质量。2.8 磨削机理一、概述磨削过去一般常用于半精加工和精加工，加工精度可达IT5IT6，加工粗糙度可小至Ra1.250.01m，镜面磨削时可达Ra0.040.01m。磨削常用于淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料等坚硬材料。磨削的加工余量可以很小，在毛坯预加工工序如模锻、模冲压、精细铸造的准确度日益提高的情况下，磨削是直接提高工件精度的一个重要的加工方法。由被磨削工件和磨具在相对运动关系上的不同组合，可以产生各种的不同磨削方式。由于各种各样的机械产品越来越多地采用成形外表，成形磨削和仿形磨削得到了越来越广泛的应用。齿轮磨削方法主要是是成形磨削和展成磨削。磨削时，由于所采用的刀具磨具与一般金属切削所采用的刀具不同，且切削速度很高，因而磨削机理和切削机理就有很大的不同，下面简要介绍磨削过程中的几个根底性问题。二、磨粒切削刃的磨削模型一颗磨粒磨削经历了滑擦弹性变形、耕犁塑性变形及切削形成切屑，沿磨粒前面流出的过程，使工件外表形成热应力与变形应力。磨粒在切削外表上的滑擦、耕犁和切削与磨粒的状况和被加工材料性质有关。上述的三个过程与砂轮速度有关，砂轮速度愈高，弹塑性区就愈小。弹塑性区还与每颗磨粒的实际磨削量有关。. z.